將可編程光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)寫進(jìn)玻璃內(nèi)部，是不是聽上去有些科幻？科學(xué)家近期的一項(xiàng)研究證明，這條路不僅跑通了，而且規(guī)模越大優(yōu)勢越明顯。
近期，華中科技大學(xué)張新亮教授、董建績教授與上海交通大學(xué)唐豪教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合提出了一種可編程光子計(jì)算的新范式。他們開發(fā)了新架構(gòu) LAMP（Lantern-shaped Adaptive Multilayer Photonic network），意為燈籠形自適應(yīng)多層光子網(wǎng)絡(luò)。
通過在玻璃內(nèi)部用飛秒激光刻出三維光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片，首次實(shí)現(xiàn)了單芯片上的可編程三維光計(jì)算，能夠直接對二維圖像進(jìn)行處理。
研究人員制備了一款基于 LAMP 的八層 64 通道（8×8 陣列）演示芯片，并在芯片上集成 74 個微加熱器，它的功能類似于可編程控制“開關(guān)”，可隨時控制光的走向。
值得關(guān)注的是，該芯片在多項(xiàng)任務(wù)中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。例如，在手寫數(shù)字分類 MNIST 任務(wù)中訓(xùn)練準(zhǔn)確率為 93%、測試準(zhǔn)確率達(dá) 91.7%；在光學(xué)圖案生成任務(wù)上實(shí)現(xiàn) 94% 的保真度；理論計(jì)算吞吐量達(dá) 6,554 TOPS（每秒萬億次操作）。
曹子榆是華中科技大學(xué)博士生，師從張新亮教授和董建績教授，主要研究方向是集成光學(xué)，她對 DeepTech 表示：“LAMP 不是僅完成單一功能的靜態(tài)光學(xué)器件，而是通過訓(xùn)練可重新配置的三維光學(xué)計(jì)算平臺。并且，它跑通了從二維輸入、三維計(jì)算，再到可編程調(diào)控，最后到二維輸出的完整鏈路?！?/p>
該技術(shù)有望應(yīng)用于 AI 推理硬件，尤其是光電混合系統(tǒng)中計(jì)算密集、線性計(jì)算占比較高的部分。據(jù)研究團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)，短期內(nèi)他們可能先從專用推理任務(wù)探索技術(shù)應(yīng)用的可能性，包括圖像識別、模式生成、光場處理以及傳感陣列分析。
光子芯片為何困在二維平面？
實(shí)際上，在透明材料內(nèi)部用飛秒激光直寫加工波導(dǎo)，已經(jīng)有長期的技術(shù)積累。這項(xiàng)研究始于團(tuán)隊(duì)成員思考的一個問題：既然這項(xiàng)技術(shù)天然可以進(jìn)入材料內(nèi)部、構(gòu)建三維結(jié)構(gòu)，為什么很多設(shè)計(jì)最后還是回到了平面光子芯片的思路？
2023 年，康奈爾大學(xué) Peter McMahon 教授在發(fā)表于 Nature Reviews Physics 的綜述論文“The physics of optical computing”中 [2]，對光用于計(jì)算的多種物理特性的可能性進(jìn)行了系統(tǒng)討論。
“讀完這篇論文后我很受觸動，并意識到速度快只是光計(jì)算的優(yōu)勢之一，更重要的是，它有很多能夠被調(diào)用的物理自由度。但在芯片級光計(jì)算中，尚未充分利用三維空間的維度?！辈茏佑鼙硎?。
她進(jìn)一步聯(lián)想到，真實(shí)神經(jīng)系統(tǒng)的連接原本也并非二維平面，因此物理形態(tài)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)硬件或許可以在平面之外進(jìn)行探索。
真正讓這個想法落地的，是她看到 Optica 上一篇關(guān)于三維打印靜態(tài)光學(xué)計(jì)算結(jié)構(gòu)的論文。那項(xiàng)研究讓她意識到，三維加工能力已經(jīng)可以承載計(jì)算結(jié)構(gòu)。于是，一個更進(jìn)一步的問題浮現(xiàn)：如果靜態(tài)三維光路能夠計(jì)算，下一步能否做出可編程、可訓(xùn)練的三維光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)？
因此，LAMP 的意義并不只是把光子芯片從二維拓展到三維，而是在驗(yàn)證一個更底層的問題：光在空間中的傳播、耦合和重構(gòu)，能否被系統(tǒng)地轉(zhuǎn)化為可擴(kuò)展、可訓(xùn)練、可制造的計(jì)算能力。
一塊玻璃，如何變成 AI 芯片？
僅沿著二維平面設(shè)計(jì)，三維加工能力并不能得到充分釋放，而玻璃最大的特點(diǎn)恰恰是能夠在體積空間中組織光路。
從本質(zhì)上來看，LAMP 是將三維空間從加工自由度變成計(jì)算自由度：在芯片尺度內(nèi)，讓光在體積空間中傳播、耦合、調(diào)控，并形成可編程的計(jì)算網(wǎng)絡(luò)。
（來源：Nature Communications）
之所以能夠在保持芯片級集成的條件下，將三維空間自由度引入光子計(jì)算，主要分為以下三個研究階段。
在架構(gòu)設(shè)計(jì)階段，采用二維陣列進(jìn)行輸入輸出，中間多層級聯(lián)的三維光子燈籠則為不同通道的光場發(fā)生耦合以及混合提供了保障。
在三維波導(dǎo)加工階段，基于高精度三維位移控制，使激光焦點(diǎn)能夠沿預(yù)設(shè)軌跡在玻璃體內(nèi)移動，焦點(diǎn)經(jīng)過之處能夠形成可導(dǎo)光的波導(dǎo)。然后通過寫入深度的改變，可以實(shí)現(xiàn)在不同 z 位置寫入多層波導(dǎo)，最終形成三維光路。
（來源：Nature Communications）
最后是可編程調(diào)控階段。與三維波導(dǎo)對應(yīng)的是固定光學(xué)變換，因此還需要在芯片上制備相移器陣列，以訓(xùn)練和改變傳輸響應(yīng)。三維燈籠和相移器的“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合”對可訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)而言缺一不可：前者提供混合能力，后者則為可編程自由度提供支持。同樣芯片面積下，平面方案有效通道數(shù)是 N，LAMP 則是 N×M（注：M 代表層數(shù)或額外空間維度帶來的擴(kuò)展因子）。
得益于在真實(shí)芯片上相位配置的優(yōu)化，能夠訓(xùn)練同一芯片完成不同的任務(wù)。結(jié)果顯示，MNIST 分類任務(wù)準(zhǔn)確率為 93%，圖案生成保真度則達(dá)到 94%，驗(yàn)證了這套訓(xùn)練和調(diào)控流程在三維芯片上的真實(shí)有效性。
從計(jì)算核心的規(guī)模潛力來看，這項(xiàng)研究未來仍有發(fā)展空間。在這項(xiàng)研究中，該團(tuán)隊(duì)使用了 64 個通道，理論計(jì)算吞吐量達(dá)到 6,554 TOPS。未來，當(dāng)通道數(shù)和級聯(lián)層數(shù)繼續(xù)放大后，三維空間帶來的并行組織能力有望進(jìn)一步釋放。
回憶這項(xiàng)研究的經(jīng)歷，曹子榆說，有點(diǎn)像過山車一樣，既有興奮也有挑戰(zhàn)。“最讓我興奮的是 LAMP 想法剛出現(xiàn)時。那段時間我每天都在想這件事，晚上睡覺的時候都在琢磨細(xì)節(jié)。做這件事情并不容易，經(jīng)驗(yàn)不夠、資源有限，也沒有現(xiàn)成路線可以照著走，但好在最后逐一克服了相關(guān)困難?！?/p>
圖丨相關(guān)論文（來源：Nature Communications）
近日，相關(guān)論文以《可編程三維光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片》（Programmable Three-dimensional Photonic Neural Network Chip）為題發(fā)表在 Nature Communications[1]。華中科技大學(xué)博士生曹子榆和上海交通大學(xué)碩士生杜玒璟是共同第一作者，華中科技大學(xué)張新亮教授、董建績教授以及上海交通大學(xué)唐豪教授、徐曉蕓助理研究員擔(dān)任共同通訊作者。
審稿人對該研究評價(jià)稱：“這項(xiàng)工作將三維空間作為計(jì)算資源，為光學(xué)處理器開辟了一條新路徑，能夠更好地匹配視覺信息的自然維度以及光傳播中豐富的物理特性。它的意義不僅在于將光子芯片從二維擴(kuò)展到三維，更在于將內(nèi)部空間轉(zhuǎn)化為用于光學(xué)路由、耦合和空間混疊的計(jì)算自由度?！?/p>
下一代千通道芯片已啟動驗(yàn)證
當(dāng)下，晶體管微縮和傳統(tǒng)互連越來越困難，因此未來 AI 硬件的提升未必局限于來自晶體管本身的方案。一部分適合光完成的互聯(lián)和線性計(jì)算，有可能會放到更靠近數(shù)據(jù)、互連和封裝的位置。LAMP 提供了一種技術(shù)的早期原型：當(dāng)玻璃從被動基板變成可設(shè)計(jì)的三維光學(xué)空間，有望從系統(tǒng)互連平臺延伸出一部分計(jì)算功能。
據(jù)了解，在產(chǎn)業(yè)界已有企業(yè)在探索類似 LAMP 的技術(shù)方向。例如，光計(jì)算公司光本位科技正在用玻璃代替硅作為襯底來研制玻璃光計(jì)算芯片。在結(jié)構(gòu)、材料與制造上不斷尋求突破，終級目標(biāo)是將玻璃光計(jì)算芯片直接封裝為超高性能全光計(jì)算系統(tǒng)。
“從技術(shù)路線看，光本位與我們有所不同：他們是聚焦單層玻璃芯片堆疊的方式；而我們是基于飛秒激光直寫技術(shù)用三維玻璃光路重構(gòu) AI 系統(tǒng)中的互連與計(jì)算。這些探索共同說明，玻璃平臺的價(jià)值正在從封裝與承載，逐步延伸到光互連乃至光計(jì)算本身?！?/p>
據(jù)研究團(tuán)隊(duì)介紹，目前他們正在推進(jìn)下一代千通道芯片加工，并與國內(nèi)多家玻璃基封裝和光電集成企業(yè)探索合作的可能性，進(jìn)而將原型芯片推進(jìn)到真實(shí) AI 系統(tǒng)中。
